Informationsblatt 17: Licht und Schatten

Publikation:	26.3.2009
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Aus den Lehrplänen

Erschwernisse durch den gängigen Sprachgebrauch

Sehr oft wird mit dem Wort "Licht" die elektrische Beleuchtung bezeichnet.

Das Wort "Schatten" bezeichnet im Allgemeinen den Schatten, den ein be­leuch­teter Gegenstand auf den Boden, auf eine Wand, auf einen Schirm, auf einen anderen Gegenstand wirft, seltener den Raum hinter (im Schatten von) dem beleuchteten Gegenstand.

Man spricht vom Schatten eines Gegenstandes ohne die Lichtquelle zu er­wäh­nen.

Erschwernisse aufgrund von vorgefassten Meinungen der Schüler

Die Schüler haben keine Vorstellung von der Ausbreitung des Lichts: Helligkeit oder Dunkelheit werden vielmehr als ein örtlich gegebener "Zustand" angese­hen, der nicht immer von der Gegenwart einer Lampe oder der Sonne abhängt: "Das ist ein helles Zimmer".

Die Schüler stellen sich nicht vor, dass ein beliebiger Gegenstand Licht zu unseren Augen senden könnte; das scheint ihnen nur möglich, wenn es sich um eine als solche "anerkannte" Lichtquelle handelt: Lampe, Sonne. Das Vor­handensein von Licht wird von den Schülern nur erkannt bei einer intensiven Lichtquelle oder einem sehr hell erleuchteten Bereich (zum Beispiel in praller Sonne).

Den Sehvorgang erklären sich die Schüler oft fälschlicherweise mit dem "Seh­strahl"-Modell. Dabei geht ein Sehstrahl vom Auge aus und fängt das Bild eines Gegenstands ein. Ausdrücke wie "einen Blick werfen" und "mit dem Blick strei­fen" legen so ein Modell nahe.

Viele Schüler meinen, sie könnten das Licht "von der Seite" sehen (soll heißen, wenn es an ihren Augen vorbeigeht), ohne dass Licht in ihre Augen fällt.

Für manche Schüler ist der Schatten etwas Materielles. Sie schreiben ihm die gleichen Eigenschaften zu wie dem Gegenstand, von dem er ausgeht. Sie sind sich nicht unbedingt der Rolle bewusst, die die Lichtquelle spielt.

Ein paar Klippen, an denen Beobachtung und Experiment scheitern könnten

Die Behauptung "Schatten ist der Bereich, in den kein Licht fällt" ist im Allge­meinen falsch, weil ungenau. Tatsächlich ist der Schatten, den ein Gegen­stand, bezogen auf eine bestimmte Lichtquelle, wirft, ein Bereich, der von dieser Lichtquelle kein Licht erhält, im Allgemeinen aber sehr wohl von den anderen Gegenständen der Umgebung ausgesandtes oder gestreutes (zurück­gesendetes) Licht. Ein von mehreren Lichtquellen beleuchteter Gegenstand wirft ebenso viele Schatten wie es Lichtquellen gibt.

Für erste schematische Darstellungen sollte man mit einer Quelle von kleinen Abmessungen (Taschenlampe) beginnen, die einer punktförmigen Lichtquelle gleichkommt. Dann lässt sich die Form des Schattens erklären, indem man vom Lichtpunkt eine Linie zu den Umrissen des Gegenstandes zieht. In den Dar­stel­lungen sollte eine Vereinbarung (zum Beispiel was die Farbe angeht) helfen, materielle Dinge einerseits (Lichtquelle, Gegenstand, Auge) und abstrakte Dinge andererseits, wie den unsichtbaren Weg des Lichts (erste Vorstellung von einem Lichtstrahl), nicht durcheinanderzubringen. Wenn man eine aus­gedehnte Lichtquelle verwendet, entstehen Schatten mit schwer definierbaren Umrissen. In dem Fall sehen die Lehrpläne das Zeichnen von Lichtstrahlen nicht vor.

Kenntnisse

Ein Schatten setzt eine Lichtquelle voraus. Seine Form hängt von der Form des Gegenstandes, von seiner Lage und seiner Ausrichtung in Bezug auf die Lichtquelle ab.

In einem homogenen Medium nimmt das Licht einen geraden Weg. Damit ein Gegenstand gesehen werden kann, muss von ihm ausgehendes Licht ins Auge fallen.

Eine punktförmige Lichtquelle und ein undurchsichtiger Gegenstand defi­nie­ren zwei Bereiche des Raumes: einen beleuchteten, in dem der Beobachter die Quelle sehen kann, und einen Schattenbereich, in dem der Beobachter die Quelle nicht sieht. Wenn die Lichtquelle ausgedehnt ist, entsteht noch ein Zwischenbereich, in dem der Beobachter nur einen Teil der Lichtquelle sehen kann.

Ein undurchsichtiger, von einer Lichtquelle beleuchteter Gegenstand hat eine beleuchtete Seite und eine Seite im Schatten. Die sichtbare Form der be­leuch­teten (bzw. der sich im Schatten befindenden) Seite hängt von der Posi­tion des Beobachters ab.

Mehr zum Thema

Gewöhnliche Lichtquellen sind nicht punktförmig (Glühbirne, Taschenlampe, Sonne). Sie erzeugen an den Umrissen undeutliche Schatten (Schatten, Halb­schatten, ...). Man sollte nicht versuchen, diese Schatten zu erklären, son­dern nur erörtern, was ein Beobachter sieht.

Wenn Licht und Materie einander begegnen, kann es zu verschiedenen Er­schei­nungen kommen: Spiegelung (das Licht wird in wohl definierter Richtung zurückgeworfen); Streuung (das Licht wird in alle Richtungen reflektiert), Ab­sorption (das Licht wird von der Materie absorbiert, die sich dabei erwärmt) [siehe dazu das Informationsblatt 16: "Energie"], Transmission (das Licht geht durch die Materie hindurch). Alle diese Erscheinungen treten in der Regel ge­meinsam in unterschiedlichen Verhältnissen auf. Bei durchsichtigen Gegenstän­den überwiegt die Transmission, im Gegensatz zu den undurchsichtigen, bei denen kaum oder kein Licht durchkommt. Man sagt, die Transmission sei groß, wenn die Absorption schwach ist und umgekehrt.

Nur in einem homogenen Medium pflanzt sich das Licht geradlinig fort, wenn also überall die gleichen Eigenschaften vorliegen. Unter bestimmten Bedingun­gen wird das Licht abgelenkt: Beugung an einem Spalt oder Brechung beim Übergang in ein anderes Medium (zum Beispiel Luft/Wasser). So wird das Phä­nomen der Luftspiegelung (Fata Morgana) von nicht geradliniger Ausbreitung des Lichts hervorgerufen: Die Temperaturverteilung in der Luft, durch die das Licht geht, ist nicht homogen.

Das Licht pflanzt sich mit großer Geschwindigkeit fort (ungefähr 300 000 km pro Sekunde). Es braucht ungefähr 8 Minuten von der Sonne zur Erde und ein paar Jahre bis zu ein paar tausend Jahre von den verschiedenen, mit bloßem Auge sichtbaren Sternen bis zu uns!

Das sichtbare Licht zeichnet sich auch durch seine Farbe aus, von Rot zu Violett. Bestimmte Lichtstrahlen (infrarote und ultraviolette) sind unsichtbar, zeigen sich aber auf andere Weise: das Gefühl von Wärme in der Nähe eines Bügeleisens (das infrarotes Licht ausstrahlt), Hautverbrennungen in der Sonne (durch das ultraviolette Sonnenlicht).

Einsatz der Kenntnisse in anderen Zusammenhängen, verwandte Begriffe

• Informationsblatt 16: "Energie":
  • Um Licht zu erzeugen braucht man eine Energiequelle.
  • Licht transportiert Energie und insbesondere gibt das Sonnenlicht Sonnenenergie an absorbierende Materialien ab. Von dieser Energie hängt das Leben auf der Erde ab.
• Verbindungen zur Mathematik:
  • Wie bestimmt man die Höhe eines Pfostens aus der Länge seines Schattens?
  • Wie bestimmt man die Breite eines Flusses, den man absolut nicht durchqueren kann? (Vielleicht kann die Situation auf dem Schulhof nachgestellt werden?)

Letzte Aktualisierung: 29.11.2023